不同水肥处理对马铃薯肥料利用效率的影响

李文证，马国成，尹 娟,2,3

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程中心，银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

施用化肥是现代农业发展中必不可少的增产方式，中国耕地只有世界耕地面积的7%，但化肥消费却占到世界的1/3[1]，凸显了我国肥料利用率低下的问题。由于土地和气候条件得天独厚，宁夏的种薯和商品薯走俏全国和中亚市场。近年来，由于对马铃薯产量的过度追求，导致了马铃薯种植过程中肥料的过量投入，土壤中过量的肥料由于挥发、淋溶和径流等原因不仅造成了大量损失，而且也造成了环境的污染，这些问题与农业生产过程中不合理的灌溉施肥有直接关系[2-4]。因此，研究水肥对肥料利用效率的影响对于如何提高肥料的利用效率、充分发挥肥料的作用具有重要指导意义。

本试验研究了宁夏中部干旱区不同水肥处理条件下马铃薯肥料利用效率，分析了影响马铃薯肥料利用效率的主要因素，并对如何提高马铃薯肥料利用效率进行分析讨论，对宁夏地区马铃薯产业可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

试验田设在宁夏吴忠市同心县韦州镇久庄村，地处宁夏中部干旱区的典型区域，海拔1 730 m，年平均降雨量270 mm，近几年降雨量不足200 mm，多集中在7-9月，11月下旬结冻，3月上旬解冻，属大陆性干旱气候，昼夜温差大，日照时间长。年平均蒸发量为2319.8mm，无霜期180 d左右、有效积温3 915.3 ℃，是一个以干旱为主的多灾并发区。土壤类型为沙壤土，密度1.42 g/cm3，土壤理化性质见表1。

表1 土壤理化性质Tab.1 Basic properties of tested soils

1.2 试验材料

(1)马铃薯品种：冀张薯8号。

(2)肥料：以尿素、过磷酸钙、硫酸钾为供试肥料，全部采用一次性基施。

1.3 试验设计

试验地各小区面积均为6 m×6 m，四周设保护行，小区间保护行为1.0 m宽，外围保护行宽为2.5 m，行距60 cm。水分控制为滴灌，在每垄上安装一条旁壁式滴灌带。以补水量、氮肥施量、磷肥施量、钾肥施量为试验因素，选用4因素10水平的均匀设计，3次重复试验共30个小区，采用U10(108)均匀设计表，利用DPS软件优化试验方案(选中心化偏差CD=0.125 8的方案)。根据尹娟、刘凡等的研究[5-7]，本试验因素和水平设计见表2，补水时期水平见表3。

表2 大田试验因素及水平表(D=0.125 8)Tab.2 The factors and levels of the field experiment(D=0.125 8)

表3 补水时期因素水平表 %

1.4 测定项目与统计分析方法

土壤中碱解N、速效P、速效K，分别采用碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提一铝锑抗比色法、1.0 mol/L NH4AOC浸提一火焰光度计法测定，有机质等其他理化指标测定方法见文献[8]。

每个小区随机选取10株马铃薯样株，实验室条件下肢解烘干称重，分别采用用奈氏比色法、钒泪黄比色法和火焰光度计法测定各部分(块茎、根、茎、叶)全氮、磷、钾含量。

氮(磷、钾)肥利用率[9]=[施氮(磷、钾)区作物氮(磷、钾)吸收量-不施氮(磷、钾)区作物氮(磷、钾)吸收量]/施氮(磷、钾)区肥料养分氮(磷、钾)投入量×100%。

采用Excel2007、DPS v14.10统计分析软件、对数据进行多元回归分析。

2 结果与分析

不同水肥处理条件下，马铃薯对氮、磷、钾肥的吸收量统计分析见表4～表6。表中按吸收量大小排了顺序，CK均排在了最后。表7是各处理试验因素及对应的肥料利用率。

表4 不同处理下氮肥吸收量的统计分析结果Tab.4 The statistical results of the absorbing amount on fertilizer-N in each level

注：相同字母的平均值之间差异没有达到5%的显著水平，下同。

表5 不同处理下磷肥吸收量的统计分析结果Tab.5 The statistical results of the absorbing amount on fertilizer-P in each level

表6 不同处理下钾肥吸收量的统计分析结果Tab.6 The statistical results of the absorbing amount on fertilizer-K in each level

表7 各处理试验因素及肥料利用率Tab.7 The Experimental factors and fertilizer use efficiency in each level

注：肥料因素换算为纯氮、磷、钾表示。

根据表7中试验结果进行逐步回归分析，分别建立N肥利用率Y1、P肥利用率Y2、K肥利用率Y3与补水量X1、施氮量X2、施磷量X3和施钾量X4之间的回归模型。

Y1=41.0+0.1X1-1.1X2+1.5X4+0.003 5X22+

0.000 3X1X3-0.001 2X1X4-0.004 3X2X4

(1)

回归模型F检验概率p=0.011(P<0.05)，回归模型显著性检验达到显著，回归模型的决定系数R2=0.998 9，模型的拟合程度良好，故回归模型很好地能够反映各个因素与N肥利用率之间的关系。

Y2=24.7+0.009 3X1-0.201 9X3+0.000 6X23+

0.000 1X1X2-0.000 5X2X3+0.000 3X2X4

(2)

回归模型F检验概率p=0.013(P<0.05)，回归模型显著性检验达到显著，回归模型的决定系数R2=0.998 2，模型的拟合程度良好，故回归模型很好地能够反映各个因素与P肥利用率之间的关系。

Y3=87.8+0.24X3-0.68X4+0.000 1X22+

0.000 9X24+0.000 6X2X3-0.002 4X3X4

(3)

回归模型F检验概率p=0.021(P<0.05)，回归模型显著性检验达到显著，回归模型的决定系数R2=0.988 7，模型的拟合程度良好，故回归模型很好地能够反映各个因素与K肥利用率之间的关系。

2.1 不同水肥处理对马铃薯N肥利用率的影响

利用逐步回归模型采用降维法进行影响分析。降维分析是在分析某一因素对因变量影响时，将其他因素水平固定在零水平，得出该因素与因变量之间关系子模型，分析其子模型。利用降维法由N肥利用率回归模型公式(1)可得各因素与N肥利用率之间子模型公式：

补水量X1：Y1=41.0+0.1X1

(4)

氮肥量X2：Y1=41.0-1.1X2+0.003 5X22

(5)

钾肥量X4：Y1=41.0+1.5X4

(6)

由上述公式(4)～(6)和表4可知：不同水肥处理条件下马铃薯N肥利用率有明显差异。补水量X1与N肥利用率Y1呈现正相关，即随着补水量增加，马铃薯的N肥利用率随之提高。施钾量X4与N肥利用率Y1也呈现正相关，钾肥增加有助于提高N肥利用率，施钾量一次项系数远远大一补水量一次项系数，即N肥利用率对钾肥更敏感，钾肥对N肥利用率的提高作用最为明显。施磷量X3与N肥利用率Y1相关性低，模型回归过程中被剔除，磷肥对N肥利用率影响最小。施氮量X2与N肥利用率Y1的子模型，存在二次项，单二次项系数很小，一次项系数对因变量贡献起主要作用，随着施氮量的增加，N肥利用率会随之下降，氮肥有助于马铃薯的生长，但过量的施用氮肥会造成氮肥的浪费。结合表8，N肥利用率回归模型(1)的标准回归系数得：各因素对N肥利用率的影响大小顺序为X4>X2>X1>X3。

2.2 不同水肥处理对马铃薯P肥利用率的影响

利用降维法由P肥利用率回归模型公式(2)可得各因素与P肥利用率之间子模型公式：

X1补水量：Y2=24.7+0.009 3X1

(7)

X3磷肥量：Y2=24.7-1.1X3+0.000 6X23

(8)

表8 N、P、K肥利用率模型标准回归系数Tab.8 The standard regression coefficient of fertilizer use efficiency model

注：模型回归过程中部分相关性低的因素被剔除,无标准回归系数。

由上述公式和表5可知：不同水肥处理条件下马铃薯P肥利用率也有所不同，马铃薯对P肥利用率整体偏低。补水量有助于提高P肥利用率，随着补水量增加，马铃薯的P肥利用率随之提高，由于子模型中X1系数较小，补水量对P肥利用率影响较小。施磷量X3与P肥利用率Y2的子模型，存在系数很小的二次项，对因变量影响主要来源于一次项，随着施磷量的增加，P肥利用率呈现下降趋势，马铃薯只能吸收少部分磷肥，而且利用效率较低，过量磷肥不能被马铃薯利用，会造成磷肥淋湿。施氮量X2、施钾量X4与P肥利用率Y2相关性低，在模型回归过程中被踢出，子模型中也无法反应。结合表8中P肥利用率回归模型(2)的标准回归系数得：各因素对P肥利用率的影响大小顺序为X3>X1，均大于X2和X4。

2.3 不同水肥处理对马铃薯K肥利用率的影响

利用降维法由K肥利用率回归模型公式(3)可得各因素与K肥利用率之间子模型公式：

X2氮肥量：Y3=87.8+0.000 1X22

(9)

X3磷肥量：Y3=87.8+0.24X3

(10)

X4钾肥量：Y3=87.8-0.68X4+0.000 9X24

(11)

由上述公式(9)～(11)和表6可知：不同水肥处理条件下马铃薯K肥利用率也不同，实验田所在地马铃薯对K肥利用率整体偏高。补水量X1与K肥利用率Y3相关性较低，在模型回归过程中被剔除，补水量对K肥利用率影响最小。施氮量X2施磷量X3与K肥利用率Y3呈现正相关，增加施氮量和施磷量均有助于提高K肥利用率，从其系数可知，施氮量对K肥利用率影响不明显，施磷量对K肥利用率影响更加直接。

施钾量X4与K肥利用率Y3的子模型，二次项系数远小于一次项系数，对因变量影响主要取决于一次项，一次项系数为负，即随着施钾量的增加，K肥利用率下降，马铃薯对钾肥有很好的吸收能力，但施钾量过大依然会造成钾肥的浪费。结合表8中K肥利用率回归模型(3)的标准回归系数得：各因素对K肥利用率的影响大小顺序为X4>X3>X2>X1。

2.4 不同水肥处理对马铃薯N、P、K肥利用率的综合影响

根据表7中试验结果进行偏最小二乘逐步回归分析，建立N肥利用率Y1、P肥利用率Y2、K肥利用率Y3与补水量X1、施氮量X2、施磷量X3和施钾量X4之间的回归模型。

Y1=26.0+0.073X1-0.87X2+0.56X3+0.93X4-

0.000 043X21+0.002X22-0.001 4X23-0.005 9X24

(12)

Y2=31.0+0.02X1-0.04X2-0.3X3+0.04X4-

0.000 008X21+0.000 2X22+0.000 56X23-0.000 49X24

(13)

Y3=101.7-0.04X1+0.09X2+0.3X3-1.0X4+

0.000 035X21-0.000 07X22-0.000 55X23+0.001X24

(14)

此三目标的最小二乘回归模型的决定系数分别为R21=0.850 0；R22=0.961 8；R23=0.922 8，3个回归模型的拟合程度良好，可以得到最优组合目标函数马铃薯N、P、K肥利用率分别为78.05%、33.57%、 64.89%，组合目标函数最优时，补水量为1 058.5 m3/hm2，纯N、P、K换算成N、P2O5、K2O分别为 30.0、68.7、57.5 kg/hm2。尹娟[5]、刘凡[6,7]等以产量或品质为目标确定的补水施肥方案相比，施肥量明显偏低。提高肥料利用率与提高产量品质之间存在矛盾，因此在确定补水施肥方案不能单方面追求肥料利用率的最优化，为满足产量品质要求必须采用较低肥料利用率，部分肥料的浪费不可避免。在本实验条件下，推荐补水施肥方案为：补水量为1 058.5 m3/hm2，N、P2O5、K2O分别为241.05、380.6、93.5 kg/hm2，与尹娟[5]、刘凡[6,7]等的研究相比，其中补水量偏高，氮肥量相当，磷肥和钾肥了偏低。

3 讨 论

合理的施肥有助于马铃薯的生长，同时还能减少肥料的浪费。在马铃薯种植过程中，提高肥料利用率是降低成本重要途径。刘芬等[10]研究认为中、低肥力土壤能够实现肥料的高效利用。本试验研究部分处理的肥料利用率甚至出现超效率现象，出现这种情况的原因是影响肥料吸收的因素的复杂的，如试验处理4中N肥利用率为139.44%，因此处理氮肥施量很小，而补水量和施钾量均有助于提高马铃薯对N肥的吸收能力，因此当季氮肥施量不能满足马铃薯需要，土壤中原来累积的氮肥被马铃薯吸收，造成了氮肥吸收量大于施氮量的现象。因土壤肥力有限，这种情况是不可持续，长期会导致土壤肥力流失[11]。大量施肥虽然提高了马铃薯吸收的养分量，但是施肥过量不仅使投入增加，而且导致肥料利用率下降，造成更大的浪费[12-15]。因此合理的施肥既能降低成本还能避免不必要的浪费。对于如何确定施肥合理需要进一步试验研究。

4 结 语

本试验条件下，不同水肥处理对马铃薯肥料利用率的影响如下。

(1)补水量和施钾量有利于提高N肥利用率，施氮量增加会导致N肥利用率下降，施磷量对N肥利用率影响不大，试验各因素对N 肥利用率影响大小顺序为：X4>X2>X1>X3。

(2)补水量有利于提高P肥利用率，施氮量与施钾量对P肥利用率影响不明显，施磷量增加不利于提高P肥利用率，试验各因素对P肥利用率影响大小顺序为：X3大于X1，均大于X2和X4。

(3)施氮量和施磷量均有助于提高K肥利用率，施钾量不利于K肥利用率的提高，补水量对K肥利用率影响不明显，试验各因素对K肥利用率的影响大小顺序为：X4>X3>X2>X1。

(4)推荐补水施肥方案为：补水量为 1058.5m3/hm2，N、P2O5、K2O分别为241.05、380.6、93.5kg/hm2。

[1] 闫 湘，金继运，何 萍，等. 提高肥料利用率技术研究进展[J]. 中国农业科学，2008,(2):450-459.

[2] 王保莉，岑 剑，武传东，等. 过量施肥下氮素形态对旱地土壤细菌多样性的影响[J]. 农业环境科学学报，2011,(7):1 351-1 356.

[3] 马立珩，张 莹，隋 标，等. 江苏省水稻过量施肥的影响因素分析[J]. 扬州大学学报(农业与生命科学版)，2011,(2):48-52.

[4] 王艳群，彭正萍，薛世川，等. 过量施肥对设施农田土壤生态环境的影响[J]. 农业环境科学学报，2005,(S1):81-84.

[5] 尹 娟，雒倞豪，吴秀玲. 不同水肥配合对马铃薯品质的影响[J]. 节水灌溉，2014,(2):4-7.

[6] 刘 凡，李援农，尹 娟. 不同水肥配合对马铃薯产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2014,(3):108-113.

[7] 刘 凡. 干旱区马铃薯膜下滴灌条件下水肥耦合效应研究[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学，2014.

[8] 中国科学院南京土壤研究所. 土壤理化分析[M].上海:上海科学技术出版社，1978:136-140.

[9] 王火焰，周健民. 肥料养分真实利用率计算与施肥策略[J]. 土壤学报，2014,(2):216-225.

[10] 刘 芬，同延安，王小英，等 渭北旱塬春玉米施肥效果及肥料利用效率研究[J]. 植物营养与肥料学报，2014,(1):48-55.

[11] 陈建国. 不合理施肥引起的稻田生态系统退化机理及其施肥修复效应研究[D]. 长沙：湖南农业大学，2008.

[12] 李顺伟. 施肥过量的危害及对应措施探讨[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊)，2013,(11):180-181.

[13] 王艳群，彭正萍，薛世川，等. 过量施肥对设施农田土壤生态环境的影响[J]. 农业环境科学学报，2005,(S1):81-84.

[14] 王小英，同延安，刘 芬，等. 陕西省马铃薯施肥现状评价[J]. 植物营养与肥料学报，2013,(2):471-479.

[15] 赵 营，郭鑫年，赵护兵，等. 宁夏南部山区马铃薯施肥现状与评价[J]. 中国马铃薯，2013,(5):281-287.